Висшият институт в Уорчестър съвместно с НАСА проведоха тестовете на първите когнитивни радиостанции, предназначени за работа в космоса и за поддръжката на радиовръзка на с космическите мисии от Земята. Те осигуриха стабилен сигнал за връзка с Международната Космическа Станция.

За първи път идеята за създаването на подобно космическо радио е представена от Джозеф Митола III в Кралския технологичен институт на Стокхолм през 1998 година. Митола е известен като ‘Бащата на когнитивното радио’, благодарение на концепцията, която разработи през 1999 г. с д-р Джералд К. Магуайър. Mitola предвижда „когнитивно радио“ като напълно преконфигурируема безжична черна кутия, която автоматично променя своите комуникационни параметри в отговор на изискванията на мрежата и потребителя. Понастоящем тази концепция е начело на редица водещи изследователски усилия за безжична индустрия.

Най-характерната особеност на когнитивното радио е, че неговата невронна мрежа се учи от реалната околна среда, а не от хипотетичен математически модел. Тя получава информация за редица параметри: коя модулация на сигнала работи най-добре и вълните с кои честоти се разпространяват най-далече. Всички тези данни се обработват и анализират, за да се определи кои точно настройки на предавателя и приемника са необходими, за да се постигне оптимална връзка. Ключова особеност на използваната невронна мрежа е, че тя може с течение на времето да оптимизира съотношенията между входящите данни и резултата. В една шумна обстановка, в която сигналът почти не може да мине, невронната мрежа ще засили сигнала на предавателя. След това автоматично ще определи дали сигналът е станал по ясен и детайлен. Ако това не подобри значително приемането, то невронната мрежа започва да опитва други подходи – например използването на други честоти.

За управлението на основните настройки на когнитивното радио се използва изцяло софтуерен подход. Основните функции, които в обикновените предаватели и приемници са реализирани с помощта на хардуер, в когнитивното радио всичко е реализирано по софтуерен път, включително филтрирането, усилването и откриването на сигналите.

Засега експериментите с когнитивното радио са ограничени по мащаб. По принцип когнитивните мрежи са сложни алгоритми, за нормалната работа на които са необходими огромни обеми от данни. Необходими са и големи изчислителни мощности. Радиооборудването трябва да е проектирано да бъде много гъвкаво, за да може да се адаптира към получаваните от невронната мрежа команди.

Изследователският център Глен към НАСА създаде специалния изпитателен стенд SCaN специално за изучаване използването на софтуерно настройваните радиостанции в космоса. Той бе създаден от японската агенция за космически изследвания и е инсталиран на основната рама на МКС през месец юли 2012 година. Стендът бе използван за до месец юни 2019 година и даваше възможност за експерименти, които проверяват доколко добре софтуерно настройваните радиостанции могат да отговарят на космическите изисквания. Това са тотално преконфигуриране в реално време, разработване и тестване на нов софтуер за нестандартни космически мрежи и когнитивни комуникации.

Тестовият стенд включва три радиостанции с изцяло софтуерна настройка, които излъчват в диапазона S (от 2 до 4 GHz), в диапазона Ka (от 26,5 до 50 GHz) и приемащи в диапазона L (от 1 до 2 GHz). Стендът SCaN можеше да обменя данни със сателитната система за ретранслация данните на НАСА и наземната станция в изследователския център Глен в Кливланд.

Когнитивното радио в наземната станция самостоятелно е вземало решение за избора на работните параметри на предавателя, като е подавало и специализиран сигнал за промяната параметрите и на предавателя и приемника на изпитателния стенд, както и на двата модема в наземната станция. Информацията включва каква конкретна скорост за обмен на данни ще се използва, каква модулация ще бъде употребена и каква трябва да бъде мощността на предавателите на стенда на МКС и на наземната станция. Първите тестове са приключили през месец май 2017 година. Когнитивната радиосистема е тествана при възможно най-сложни и динамично променящи се условия, включително бързи и силни промени на метеорологичните условия. В много от случаите слънчевите панели на МКС и другите модули на МКС са създавали мощно ехо и други най-разнообразни отражения на сигнала, но невронната мрежа ги е отчела и е изчистила връзката.

По време на всеки сеанс с МКС, невронната мрежа е сравнявала качеството на връзката с предишните сеанси. Постепенно тя се е обучила и е започнала при всеки следващ сеанс да подбира най-добрите параметри от предишните сеанси за отправна точка, за да се осигури най-добра връзка при текущия сеанс с МКС. След това невронната мрежа е избирала най-подходящите настройки на всичките параметри на сигнала – скорост за обмен на данните, модулация, фаза, мощност и т.н.

При експериментите, за които се съобщава сега, невронната мрежа постепенно е елиминирала загубата на контакт с МКС и връзката е оставала изключително стабилна, като е избирана оптималната мощност на предавателите от гледна точка на икономия на електрическа енергия.

Но тези експерименти показаха и някои проблеми, които трябва да бъдат решени преди когнитивните радиостанции да станат масови.

Най-големият проблем е така нареченият от учените ‘катастрофално забравяне‘. Това се случва, когато невронната мрежа прекалено бързо получава огромни обеми от информация и започва да забравя всичко, на което е била обучавана преди. В подобни условия качеството на когнитивната радиовръзка значително се влошава. За да се избегне този неприятен ефект, учените започнаха да използват така нареченият ‘ансамбъл’ – експериментална технология, при която се използват няколко невронни мрежи, като всяка от тях отговаря за обучението в по-ограничен брой условия – в този случай, за всеки отделен тип канал за връзка. Тази мета-невронна мрежа решава, кои точно подчинени невронни мрежи да се използват в конкретна ситуация.

След въвеждането на този нов тип машинно обучение, което става през месец август 2018 година, изследователите се убедиха, че идеята е правилна, понеже случаите на катастрофално забравяне рязко намаляват. Но сега има въпроси към самата  нов мета-невронна мрежа, като например, как мета мрежата да бъде обучена да избира най-добрите за конкретния сеанс подчинени невронни мрежи. Очевидно е, че ще са необходими още експерименти, за да бъде обучена мета невронната мрежа.

За следващите нови демонстрации на когнитивната космическа връзка НАСА планира да изведе в космоса съзвездие от три малки сателита от типа на кубсат. Това трябва да стане през следващите една или две години. Идеята на тези експерименти е предавателите на тези малки сателити да се използват като взаимни ретранслатори, за да бъде обучена нова невронна мрежа, която командва няколко едновременно работещи когнитивни радиостанции.

Новата когнитивна радиовръзка може да се използва не само в космоса, но и от военните. Една адаптивна радиостанция, която се справя със смущенията и различните заглушители, като се съобразява с реалната околна среда, а не работи по виртуален математически модел, може да се окаже полезна във военното дело.

Източник: Kaldata.COM

Коментари